Phát Triển Và Tối Ưu Hóa Kẹp Mẫu Hình Trụ Với Công Nghệ Linh Hoạt

Tài liệu nghiên cứu Development and optimization of grippers for cylindrical sample using compliant, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Ho Nhat Linh
• Người hướng dẫn: Assoc. Le Hieu Giang
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Phát Triển Và Tối Ưu Hóa Kẹp Mẫu Hình Trụ Sử Dụng Công Nghệ Linh Hoạt
• Loại tài liệu: ph. dissertation
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• ORIGINALITY STATEMENT
• ACKNOWLEDGMENTS
• ABSTRACT
• LIST OF ABBREVIATIONS
• LIST OF SYMBOLS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. Background and motivation
• 1.2. Problem description of proposed compliant grippers
• 1.3. Objects of the dissertation
• 1.4. Objectives of the dissertation
• 1.5. The scientific and practical significance of the dissertation
• 1.6. Outline of the dissertation
• 2. CHƯƠNG 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Overview of compliant mechanism
• 2.2. Definition of compliant mechanism
• 2.3. Categories of compliant mechanism
• 2.4. Compliance-driven classification
• 2.5. Deformation-based classification
• 2.6. Classification based on the association of the compliance and movement segments of the mechanism
• 2.7. Classified based on the function
• 2.8. Compliant joints or flexure hinges
• 2.9. Displacement amplification based on the compliant mechanism
• 2.10. The Scott-Russell mechanism
• 2.11. Displacement sensors based on compliant mechanisms
• 2.12. Compliant grippers based on embedded displacement sensors
• 2.13. International and domestic research
• 2.14. Research works in the field by foreign scientists
• 2.15. Study on compliant mechanisms by foreign scientists
• 2.16. Study on robotic grippers and compliant grippers by foreign scientists
• 2.17. Research works in the field by domestic scientists
• 2.18. Research on compliant mechanisms by domestic scientists
• 2.19. Research on robotic grippers and compliant grippers by domestic scientists
• 3. CHƯƠNG 3: THEORETICAL FOUNDATIONS
• 3.1. The basic theory of flexure hinges
• 3.2. Generic mathematical formulation
• 3.3. Strain gauge-based displacement sensor
• 3.4. Design of experiments
• 3.5. Modeling methods and approaches for compliant mechanisms
• 3.6. Data-driven modeling methods
• 3.7. Weighting factors in multi-objective optimization problems
• 4. CHƯƠNG 4: DESIGN, ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF AN ASYMMETRICALLY STRUCTURED GRIPPER BASED ON A COMPLIANT MECHANISM WITH AN INTEGRATED DISPLACEMENT SENSOR
• 4.1. Research targets of displacement sensor for compliant gripper
• 4.2. Structural design of proposed displacement sensor
• 4.3. Mechanical design and working principle of a proposed displacement sensor
• 4.4. Description of the structure of the displacement sensor
• 4.5. The working principle of a displacement sensor
• 4.6. Technical requirements of a proposed displacement sensor
• 4.7. Behavior analysis of the displacement sensor
• 4.8. Strain versus stress
• 4.9. Design optimization of a proposed displacement sensor
• 4.10. Description of optimization problem of a proposed displacement sensor
• 4.11. Definition of design variables
• 4.12. Definition of objective functions
• 4.13. Definition of constraints
• 4.14. The proposed method for optimizing the displacement sensor
• 4.15. Optimal Results and Discussion
• 4.16. Determining Weight Factor
• 5. CHƯƠNG 5: COMPUTATIONAL MODELING AND OPTIMIZATION OF A SYMMETRICAL COMPLIANT GRIPPER FOR CYLINDRICAL SAMPLES
• 5.1. Basic application of symmetrical compliant gripper for cylindrical sample
• 5.2. Research targets of symmetrical compliant gripper
• 5.3. Mechanical design of symmetrical compliant gripper
• 5.4. Description of structural design
• 5.5. Technical requirements of proposed symmetrical compliant gripper
• 5.6. Behavior analysis of the proposed compliant gripper
• 5.7. Design optimization of the compliant gripper
• 5.8. Problem statement of optimization design
• 5.9. Determination of design variables
• 5.10. Determination of objective functions
• 5.11. Determination of constraints
• 5.12. Proposed optimization method for the compliant gripper
• 5.13. Optimized results and validations
• 6. CHƯƠNG 6: CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS
• LIST OF AUTHOR’S PUBLICATIONS

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển và tối ưu hóa kẹp mẫu hình trụ sử dụng công nghệ linh hoạt. Mục tiêu chính là tạo ra các kẹp mẫu có khả năng nắm bắt chính xác và thực hiện các nhiệm vụ định vị trong ngành lắp ráp. Đặc biệt, nghiên cứu này giới thiệu hai loại kẹp mới: một loại có cấu trúc không đối xứng tích hợp cảm biến dịch chuyển và một loại có cấu trúc đối xứng phục vụ cho lắp ráp. Việc phát triển các kẹp mẫu này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất trong sản xuất mà còn mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng công nghệ linh hoạt trong các lĩnh vực khác nhau.

1.1. Động lực và bối cảnh

Sự phát triển của công nghệ linh hoạt đã tạo ra những cơ hội mới trong việc thiết kế và sản xuất các thiết bị tự động hóa. Các kẹp mẫu hình trụ được nghiên cứu trong luận án này nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về độ chính xác và hiệu suất trong ngành công nghiệp lắp ráp. Việc sử dụng công nghệ linh hoạt cho phép tạo ra các kẹp mẫu có khả năng thích ứng với nhiều loại hình dạng và kích thước khác nhau, từ đó nâng cao tính linh hoạt trong sản xuất.

II. Tổng quan tài liệu

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về các công nghệ linh hoạt và các loại kẹp mẫu hiện có. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng kẹp mẫu hình trụ có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên cấu trúc và chức năng. Việc phân loại này giúp xác định các tiêu chí thiết kế cho các kẹp mẫu mới. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng công nghệ linh hoạt trong thiết kế kẹp mẫu có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ bền của sản phẩm. Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã chứng minh rằng việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa trong thiết kế kẹp mẫu có thể mang lại kết quả vượt trội.

2.1. Các loại cơ chế linh hoạt

Cơ chế linh hoạt được phân loại thành nhiều loại khác nhau, bao gồm cơ chế dựa trên biến dạng và cơ chế dựa trên sự kết hợp giữa các đoạn chuyển động. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các cơ chế này trong thiết kế kẹp mẫu hình trụ có thể tạo ra những sản phẩm có khả năng nắm bắt và định vị chính xác hơn. Việc sử dụng công nghệ linh hoạt trong thiết kế kẹp mẫu không chỉ giúp giảm thiểu trọng lượng mà còn tăng cường khả năng chịu lực và độ bền của sản phẩm.

III. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các lý thuyết cơ bản liên quan đến thiết kế và tối ưu hóa kẹp mẫu hình trụ. Các phương pháp mô hình hóa và tối ưu hóa được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm mô hình hóa dựa trên dữ liệu và các phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu. Việc áp dụng các phương pháp này giúp xác định các biến thiết kế và hàm mục tiêu cho quá trình tối ưu hóa. Các kết quả thu được từ mô hình hóa cho thấy rằng việc tối ưu hóa thiết kế có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của kẹp mẫu hình trụ.

3.1. Mô hình hóa và tối ưu hóa

Mô hình hóa là bước quan trọng trong quá trình thiết kế kẹp mẫu hình trụ. Các phương pháp mô hình hóa như mô hình cơ thể giả (PRBM) và nguyên lý Lagrange được sử dụng để xây dựng các phương trình tĩnh và động cho kẹp mẫu. Việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa như phương pháp Taguchi và tối ưu hóa đa mục tiêu giúp xác định các thông số thiết kế tối ưu, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của sản phẩm. Kết quả cho thấy rằng việc tối ưu hóa thiết kế có thể mang lại những cải tiến đáng kể trong khả năng nắm bắt và định vị của kẹp mẫu.

IV. Thiết kế và tối ưu hóa kẹp mẫu

Chương này tập trung vào việc thiết kế và tối ưu hóa kẹp mẫu hình trụ dựa trên cơ chế linh hoạt. Các mục tiêu nghiên cứu bao gồm thiết kế cấu trúc của cảm biến dịch chuyển tích hợp và phân tích hành vi của kẹp mẫu. Việc tối ưu hóa thiết kế được thực hiện thông qua việc xác định các biến thiết kế, hàm mục tiêu và các ràng buộc. Kết quả tối ưu hóa cho thấy rằng kẹp mẫu có thể đạt được độ chính xác cao trong việc nắm bắt và định vị các mẫu hình trụ.

4.1. Thiết kế cấu trúc kẹp mẫu

Thiết kế cấu trúc của kẹp mẫu hình trụ là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất của sản phẩm. Các yêu cầu kỹ thuật được xác định dựa trên các tiêu chí như độ bền, khả năng chịu lực và độ chính xác. Việc sử dụng công nghệ linh hoạt trong thiết kế giúp tạo ra các kẹp mẫu có khả năng thích ứng với nhiều loại hình dạng và kích thước khác nhau. Kết quả từ các thí nghiệm thực tế cho thấy rằng kẹp mẫu được thiết kế có thể hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng lắp ráp.

V. Kết luận và hướng phát triển

Luận án này đã trình bày một cách chi tiết về việc phát triển và tối ưu hóa kẹp mẫu hình trụ sử dụng công nghệ linh hoạt. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa trong thiết kế kẹp mẫu có thể mang lại những cải tiến đáng kể về hiệu suất và độ bền. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc mở rộng ứng dụng của các kẹp mẫu này trong các lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất đến tự động hóa. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường.

5.1. Hướng phát triển trong tương lai

Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc cải tiến thêm các tính năng của kẹp mẫu hình trụ. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới có thể giúp tăng cường độ bền và khả năng chịu lực của sản phẩm. Ngoài ra, việc tích hợp các công nghệ thông minh vào thiết kế kẹp mẫu cũng có thể mở ra nhiều cơ hội mới trong việc tự động hóa quy trình sản xuất. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ cần tập trung vào việc tối ưu hóa các yếu tố này để đạt được hiệu suất tối ưu nhất.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Trong dây chuyền sản xuất và lắp ráp công nghiệp hiện đại, việc kẹp giữ và định vị chính xác các linh kiện kích thước nhỏ là một nhiệm vụ phức tạp. Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí của tác giả Hồ Nhật Linh, với đề tài "Phát triển và tối ưu hóa kẹp mẫu hình trụ sử dụng cơ cấu mềm" (tên tiếng Anh: Development and Optimization of Grippers for Cylindrical Sample Using Compliant Mechanisms), tập trung giải quyết các bài toán kỹ thuật trong việc thao tác linh kiện cơ điện tử dạng trụ nhỏ phục vụ dây chuyền lắp ráp động cơ rung điện một chiều (DC vibration motor) dùng trong điện thoại di động và thiết bị cầm tay.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Các loại tay kẹp công nghiệp truyền thống (như tay kẹp khí nén, thủy lực, điện, chân không, từ tính) thường có cấu trúc dạng lắp ghép từ nhiều chi tiết cứng thông qua khớp động học, ổ lăn và chốt liên kết. Kết cấu này tồn tại các nhược điểm nội tại: ma sát cơ học, khe hở tiếp xúc, độ rơ (backlash), yêu cầu bôi trơn định kỳ, kích thước cồng kềnh và phát sinh sai số tích lũy trong không gian làm việc vi mô. Cơ cấu mềm (Compliant Mechanism - CM) nguyên khối, chuyển động dựa trên biến dạng đàn hồi của các bản lề uốn (flexure hinges), là giải pháp khắc phục các nhược điểm trên nhờ ưu điểm không ma sát, không rơ lỏng, trọng lượng nhẹ và độ tin cậy cao.

Tuy nhiên, cơ cấu mềm gặp phải hai thách thức kỹ thuật lớn mà các nghiên cứu trước đây chưa giải quyết trọn vẹn:

1. Thiếu cơ cấu tự nhận biết và đo lường trực tuyến (direct-online measurement) hành trình cũng như lực kẹp của ngàm kẹp mà không cần lắp thêm các cảm biến thương mại cồng kềnh, đắt tiền và phức tạp về điều khiển.
2. Khó khăn trong việc đồng thời tối ưu hóa phạm vi dịch chuyển (hành trình kẹp) và tần số dao động riêng bậc một (tốc độ đáp ứng động học) của cơ cấu kẹp mẫu hình trụ trong dây chuyền lắp ráp động cơ DC thu nhỏ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu:
  1. Cơ cấu tay kẹp mềm có cấu trúc bất đối xứng tích hợp cảm biến đo dịch chuyển vi mô dựa trên biến dạng (strain gauges).
  2. Cơ cấu tay kẹp mềm có cấu trúc đối xứng phục vụ kẹp, định vị và lắp ráp mẫu hình trụ.
  3. Linh kiện hình trụ giả định phục vụ lắp ráp: Trục động cơ rung kích thước đường kính $\phi 0{,}6\text{ mm} \times 10\text{ mm}$ lắp vào lõi (core) động cơ đường kính $\phi 2\text{ mm}$.
• Phạm vi kỹ thuật và yêu cầu thiết kế:
  • Tay kẹp bất đối xứng tích hợp cảm biến: Hành trình dịch chuyển đạt trên $1000\ \mu\text{m}$, tần số dao động riêng bậc một lớn hơn $60\text{ Hz}$, lực kẹp cần thiết được giảm thiểu.
  • Tay kẹp đối xứng: Hành trình dịch chuyển đạt trên $1000\ \mu\text{m}$, tần số dao động riêng bậc một lớn hơn $60\text{ Hz}$.
  • Vật liệu chế tạo: Hợp kim nhôm AL7075 kết hợp cao su silicone (Silicone Rubber - SR) chèn trong các hốc hở để tăng cường độ cứng và khả năng giảm chấn; nguồn dẫn động sử dụng gốm áp điện (Piezoelectric Actuator - PEA).

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tiến hành tổng thuật hệ thống các nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến cơ cấu kẹp, cơ cấu mềm, cơ cấu khuếch đại chuyển vị và cảm biến tích hợp.

Phân loại và phân tích tay kẹp truyền thống

Luận án hệ thống hóa 5 dạng tay kẹp truyền thống trong công nghiệp dựa trên nguyên lý dẫn động:

Loại tay kẹp	Ưu điểm	Nhược điểm	Lĩnh vực ứng dụng chính
Chân không (Vacuum)	Thao tác vật thể mỏng, phẳng độc lập với vị trí; giá thành thấp hơn các loại khác.	Nhạy cảm với môi trường bụi bẩn; tiêu hao năng lượng lớn dẫn đến tăng chi phí vận hành.	Công nghiệp giấy, sản xuất kính, đóng gói và bốc xếp tự động.
Khí nén (Pneumatic)	Làm việc được trong không gian hẹp; dải lực kẹp rộng; thời gian đáp ứng nhanh; chi phí vừa phải.	Thường chỉ xử lý được một chủng loại phôi đơn lẻ; giới hạn về điều khiển chính xác vị trí và lực.	Robot công nghiệp, sản xuất thiết bị y tế, ép phun nhựa, phòng thí nghiệm.
Thủy lực (Hydraulic)	Lực kẹp lớn, công suất kẹp cao cho các ứng dụng nặng.	Kích thước cồng kềnh; đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng phức tạp; nguy cơ rò rỉ dầu.	Công nghiệp nặng, hệ thống kẹp phôi tải trọng lớn.
Điện (Electric)	Thay đổi linh hoạt lực kẹp và tốc độ; dễ tích hợp cảm biến lực để kẹp nhiều loại chi tiết.	Cung cấp lực kẹp thấp hơn hệ thủy lực; giá thành thiết bị cao.	Kẹp chi tiết dễ biến dạng, gắp đặt linh kiện hẹp, kiểm tra và đo lường.
Từ tính (Magnetic)	Thao tác không tiếp xúc; lực giữ lớn; tốc độ cao; bảo trì tối thiểu.	Giới hạn vật liệu kẹp (chỉ vật liệu nhiễm từ); nhạy cảm với nhiệt độ; vấn đề an toàn và chi phí.	Xử lý vật liệu, sản xuất và lắp ráp cơ khí, robot phân loại.

Lịch sử phát triển và phân loại cơ cấu mềm

Luận án điểm lại các mốc phát triển lý thuyết cơ cấu mềm:

• Burns và Crossley (1965): Đặt nền móng cho các nghiên cứu ban đầu về phân tích chuyển động của các khâu mềm.
• Howell (2001): Hệ thống hóa lý thuyết cơ cấu mềm và mô hình hóa vật rắn tựa tương đương (Pseudo-Rigid-Body Model - PRBM).
• Lobontiu (2002): Định nghĩa cơ cấu mềm là cơ cấu liên kết các phần tử cứng và có ít nhất một phần tử biến dạng đàn hồi đóng vai trò là bản lề uốn (flexure hinge - FH).
• Zentner và Bohm: Phân loại cơ cấu mềm theo mức độ mềm (cấu trúc mềm cố định và cấu trúc mềm biến đổi) và theo hành vi biến dạng tĩnh (ổn định hoặc không ổn định - snap-through, phân nhánh bifurcation).
• Prasanna và cộng sự: Phân chia thành cơ cấu mềm chủ động (active compliant) và cơ cấu mềm thụ động (passive compliant).
• Wu: Phân loại theo chức năng gồm bộ đảo chiều (inverters), bàn định vị mềm (compliant platforms), tay kẹp vi mô (micro-grippers) và bàn dịch chỉnh (positioning stages).

Nghiên cứu về bản lề uốn và cơ cấu khuếch đại dịch chuyển

• Bản lề uốn: Paros và Weisbord xây dựng các công thức giải tích ban đầu cho bản lề uốn tròn. Các tác giả tiếp theo phát triển bản lề uốn elip, cung tròn, chữ nhật có góc lượn (filleted leaf hinge), hyperbolic, parabolic và chữ V. Luận án lựa chọn bản lề lá phẳng tiết diện chữ nhật có góc lượn nhờ khả năng tạo biến dạng lớn, tâm quay phân bố liên tục dọc chiều dài giúp hạn chế tập trung ứng suất, nâng cao độ bền mỏi và dễ chế tạo bằng phương pháp cắt dây EDM.
• Cơ cấu khuếch đại dịch chuyển:
  • Cơ cấu đòn bẩy (Lever mechanism): Ho và cộng sự, Xing và cộng sự nghiên cứu đòn bẩy đơn và đòn bẩy nối tiếp, đạt hệ số khuếch đại từ 4,16 đến 7,63 lần.
  • Cơ cấu Scott-Russell: Liu và cộng sự, Ho và cộng sự kết hợp Scott-Russell với các cơ cấu khác để tăng tỷ số khuếch đại từ 8 lên 15,5 và 20,6 lần.
  • Cơ cấu cầu (Bridge mechanism): Chen và cộng sự, Das nghiên cứu các dạng cầu đơn, cầu nối tiếp, cầu hai tầng với độ khuếch đại lên đến 19,3 lần. Luận án lựa chọn cấu trúc đòn bẩy cho thiết kế vì hiệu suất truyền lực cao, kết cấu nhỏ gọn, ít khâu chuyển động và tỷ số khuếch đại lớn trong không gian hạn chế.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn

Mặc dù các nghiên cứu quốc tế và trong nước (như nghiên cứu về cơ cấu song ổn định, tam ổn định, cơ cấu giảm chấn) đã đạt nhiều tiến bộ, nhưng việc tích hợp cảm biến đo biến dạng trực tiếp lên thân ngàm kẹp bất đối xứng kết hợp chèn cao su silicone nhằm cải thiện tần số dao động riêng và độ cứng, cũng như việc ứng dụng thuật toán tối ưu lai (HTLBO, ANFIS-Jaya) cho tay kẹp đối xứng phục vụ lắp ráp motor DC vẫn là khoảng trống học thuật và công nghệ chưa được khảo sát đầy đủ.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng thời phương pháp phân tích giải tích, mô phỏng số phần tử hữu hạn, quy hoạch thực nghiệm thống kê, các giải thuật trí tuệ nhân tạo và kiểm chứng thực nghiệm vật lý.

Khung lý thuyết và mô hình hóa toán học

1. Lý thuyết bản lề uốn tiết diện chữ nhật: Xác định ma trận độ mềm (compliance matrix), mối quan hệ giữa mô-men uốn $M$, lực tác dụng và góc xoay vi phân $d\varphi/ds$ của dầm uốn.
2. Mô hình vật rắn tựa tương đương (PRBM): Thay thế các dầm mềm chịu uốn bằng các khâu cứng nối với nhau bằng các khớp quay ảo có gắn lò xo xoắn đàn hồi với độ cứng tương đương.
3. Phương trình Lagrange loại 2: Xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động mô tả động học và động lực học của hệ thống cơ cấu kẹp nhằm xác định chuyển vị đầu ngàm kẹp và tần số dao động riêng bậc một ($f$).
4. Lý thuyết cảm biến đo biến dạng vi mô: Dựa trên biến trở đo biến dạng (strain gauge) gắn tại các vị trí tập trung ứng suất uốn trên thân ngàm kẹp, kết nối theo sơ đồ mạch cầu Wheatstone bán phần (half-Wheatstone bridge circuit) để chuyển đổi độ biến dạng $\varepsilon$ thành tín hiệu điện áp ra $V_o$ theo công thức: $$V_o = \frac{1}{4} G \cdot \varepsilon \cdot V_{ex}$$ Trong đó $G$ là hệ số đo (gauge factor) và $V_{ex}$ là điện áp kích thích.

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa

• Phương pháp Taguchi (Taguchi Method - TM): Sử dụng ma trận trực giao để thiết kế số lượng mẫu thử nghiệm mô phỏng, tính toán tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-Noise - S/N) và phân tích phương sai (ANOVA) nhằm xác định mức độ ảnh hưởng của từng thông số hình học đến chuyển vị, tần số dao động và lực kẹp.
• Xác định hệ số trọng số (Weight Factor - WF): Chuẩn hóa tỷ số S/N trung bình ($z_i$) để gán trọng số khách quan cho từng hàm mục tiêu trong bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu (Multi-Objective Optimization Problem - MOOP).
• Thuật toán tối ưu hóa dạy và học lai (Hybrid Teaching-Learning-Based Optimization - HTLBO): Kết hợp phương pháp Taguchi để khởi tạo quần thể ban đầu cho thuật toán TLBO, giải quyết bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu cho tay kẹp bất đối xứng.
• Mô hình mạng suy luận mờ thích xạ kết hợp thuật toán Jaya (ANFIS-Jaya): Dùng ANFIS để xây dựng mô hình xấp xỉ dữ liệu phi tuyến giữa thông số thiết kế và đáp ứng đầu ra, sau đó áp dụng giải thuật Jaya (không cần tham số điều khiển thuật toán) để tìm bộ thông số hình học tối ưu cho tay kẹp đối xứng.

Phương pháp thực nghiệm và thu thập dữ liệu

• Chế tạo mẫu thực nghiệm từ phôi hợp kim nhôm AL7075 bằng máy cắt dây tia lửa điện (WEDM).
• Sử dụng cảm biến laser đo dịch chuyển vi mô, mạch cầu đo biến dạng tĩnh và động.
• Kích thích dao động bằng búa xung (modal hammer) và kích hoạt bằng nguồn cấp điện áp cho bộ truyền động gốm áp điện (PEA) để đo tần số tự nhiên thông qua hệ thống phân tích tín hiệu động học.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu (Introduction)

Chương 1 trình bày tổng quan về bối cảnh công nghiệp hóa, tự động hóa và sự phát triển của các hệ thống tay kẹp robot. Tác giả phân tích chi tiết ưu nhược điểm của 5 dạng tay kẹp truyền thống (chân không, khí nén, thủy lực, điện, từ tính), từ đó chỉ ra tính tất yếu của việc phát triển cơ cấu kẹp mềm. Chương này xác định bài toán thao tác lắp ráp trục động cơ rung DC kích thước $\phi 0{,}6\text{ mm} \times 10\text{ mm}$, đặt ra 2 đối tượng và 2 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, phạm vi kỹ thuật, ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn và cấu trúc 6 chương của luận án.

Chương 2: Tổng quan tài liệu (Literature Review)

Chương 2 tổng thuật toàn diện các khái niệm, định nghĩa và hệ thống phân loại cơ cấu mềm (theo mức độ mềm, biến dạng tĩnh/động, tính chủ động/thụ động và chức năng). Tác giả phân tích hình học các loại bản lề uốn, các bộ truyền động chính xác (PEA, SMA, từ giảo, điện giảo, khí nén) và các cấu trúc khuếch đại dịch chuyển (đòn bẩy, Scott-Russell, cơ cấu cầu). Đồng thời, chương 2 tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về tay kẹp robot, tay kẹp mềm và cảm biến dịch chuyển tích hợp, xác định rõ luận cứ khoa học để lựa chọn bản lề lá phẳng chữ nhật góc lượn và cơ cấu khuếch đại đòn bẩy.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết (Theoretical Foundations)

Chương 3 thiết lập nền tảng toán học và kỹ thuật cho toàn bộ luận án, bao gồm:

• Công thức giải tích cơ bản của bản lề uốn tiết diện chữ nhật chịu tải trọng phức hợp.
• Mô hình PRBM cho dầm công-xôn và chuỗi động học khâu mềm.
• Nguyên lý cảm biến đo biến dạng dùng strain gauge và mạch cầu Half-Wheatstone.
• Quy trình quy hoạch thực nghiệm Taguchi, phân tích tỷ số S/N, phân tích phương sai ANOVA và kỹ thuật xác định hệ số trọng số (WF).
• Cấu trúc mạng ANFIS và sơ đồ khối giải thuật Jaya, giải thuật TLBO phục vụ bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu.

Chương 4: Thiết kế, phân tích và tối ưu hóa tay kẹp bất đối xứng tích hợp cảm biến đo dịch chuyển (Design, Analysis and Optimization of an Asymmetrically Structured Gripper Based on a Compliant Mechanism with an Integrated Displacement Sensor)

Chương 4 tập trung phát triển ngàm kẹp mềm cấu trúc bất đối xứng có khả năng tự nhận biết dịch chuyển:

• Thiết kế kết cấu: Tích hợp các tấm strain gauge lên dầm uốn linh hoạt để đóng vai trò như một cảm biến đo dịch chuyển vi mô; chèn vật liệu cao su silicone (SR) vào các khoang hở nhằm tăng độ cứng vững và giảm chấn.
• Phân tích ứng suất - biến dạng: Khảo sát sự phân bố ứng suất và biến dạng tại các vị trí bản lề uốn (nhóm A, B, E, F) khi có và không có cao su silicone.
• Tối ưu hóa đa mục tiêu bằng HTLBO:
  • Biến thiết kế: Các kích thước hình học của bản lề uốn và cánh tay đòn bẩy.
  • Hàm mục tiêu: Tối đa hóa chuyển vị đầu ngàm kẹp, tối đa hóa tần số dao động riêng bậc một và tối thiểu hóa lực kẹp tác động.
  • Kết quả tối ưu: Chuyển vị đạt $1924{,}15\ \mu\text{m}$ và tần số tự nhiên đạt $170\text{ Hz}$. Thuật toán HTLBO cho kết quả vượt trội hơn so với các thuật toán so sánh khác (như GA, PSO, TLBO tiêu chuẩn).
• Kiểm chứng thực nghiệm: Tiến hành đo đạc trên mẫu chế tạo thực tế, xác nhận sự tương thích cao giữa mô hình giải tích, mô phỏng FEA và dữ liệu thực nghiệm.

Chương 5: Mô hình hóa tính toán và tối ưu hóa tay kẹp cơ cấu mềm đối xứng cho mẫu hình trụ (Computational Modeling and Optimization of a Symmetrical Compliant Gripper for Cylindrical Samples)

Chương 5 trình bày việc phát triển tay kẹp cơ cấu mềm đối xứng gồm hai ngàm kẹp đồng dạng:

• Thiết kế cơ khí: Cấu trúc đối xứng đảm bảo lực kẹp cân bằng hai phía, hạn chế độ lệch tâm khi kẹp phôi hình trụ.
• Phân tích động học và động lực học: Xây dựng mô hình PRBM kết hợp phương trình Lagrange để thiết lập quan hệ giải tích giữa lực đầu vào của PEA, phản lực ngàm kẹp, chuyển vị ngàm và tần số dao động.
• Tối ưu hóa thông minh bằng ANFIS-Jaya:
  • Thiết lập ma trận trực giao Taguchi để thu thập dữ liệu huấn luyện cho mạng ANFIS.
  • Áp dụng thuật toán Jaya tối ưu hóa đa mục tiêu với hệ số trọng số WF được tính toán từ tỷ số S/N chuẩn hóa.
  • Kết quả tối ưu: Chuyển vị đầu ngàm đạt $3260\ \mu\text{m}$ và tần số tự nhiên đạt $61\text{ Hz}$.
• Đánh giá thực nghiệm: Thử nghiệm kẹp mẫu hình trụ thực tế trên đồ gá đo lường, kết quả thực nghiệm đạt độ chính xác tương thích với mô hình tính toán tối ưu và mô phỏng số.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển (Conclusions and Future Works)

Tổng kết các kết quả chính đạt được của luận án về thiết kế, mô hình hóa giải tích, giải thuật tối ưu và thử nghiệm thực chứng. Đồng thời nêu định hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện công nghệ.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

1. Đề xuất nguyên lý thiết kế cảm biến dịch chuyển tích hợp: Xây dựng thành công nguyên lý tích hợp biến trở đo biến dạng trực tiếp trên các dầm uốn đàn hồi của cơ cấu mềm, cho phép tự đo lường trực tuyến hành trình dịch chuyển của ngàm kẹp với độ phân giải micromet mà không làm tăng độ phức tạp không gian.
2. Phát triển phương pháp tiếp cận giải tích và tính toán mềm hiệu quả: Kết hợp mô hình PRBM, phương trình Lagrange và mạng nơ-ron mờ ANFIS để mô hình hóa chính xác các hành vi động học, tĩnh học và động lực học phi tuyến của cơ cấu mềm.
3. Phát triển các giải thuật tối ưu hóa lai mới:
   • Đề xuất thuật toán tối ưu lai HTLBO (kết hợp Taguchi và TLBO) giúp nâng cao tốc độ hội tụ và chất lượng nghiệm cho bài toán tối ưu đa mục tiêu của cơ cấu mềm tích hợp cảm biến.
   • Ứng dụng thành công kỹ thuật tính toán thông minh ANFIS kết hợp giải thuật Jaya (ANFIS-Jaya) trong việc tìm kiếm bộ thông số kết cấu tối ưu cho tay kẹp đối xứng.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

1. Chế tạo thành công hai mẫu tay kẹp mềm chuyên dụng:
   • Tay kẹp bất đối xứng tích hợp cảm biến đo dịch chuyển vi mô giá thành thấp, loại bỏ sự phụ thuộc vào các cảm biến quang học hay tiệm cận đắt tiền.
   • Tay kẹp đối xứng có khả năng kẹp giữ chính xác các mẫu hình trụ nhỏ (trục động cơ rung $\phi 0{,}6\text{ mm}$), sẵn sàng ứng dụng cho các trạm lắp ráp tự động trong công nghiệp điện tử.
2. Kỹ thuật chèn cao su silicone (SR): Chứng minh hiệu quả thực tế của việc điền đầy cao su silicone vào khoang hở cơ cấu để tăng cường độ cứng tổng thể và nâng cao tần số dao động tự nhiên của tay kẹp.

Bảng tổng hợp kết quả thông số kỹ thuật tối ưu

Thông số kỹ thuật	Tay kẹp bất đối xứng tích hợp cảm biến (Chương 4)	Tay kẹp đối xứng cho mẫu hình trụ (Chương 5)
Phương pháp tối ưu hóa	Taguchi kết hợp TLBO (HTLBO)	ANFIS kết hợp thuật toán Jaya (ANFIS-Jaya)
Vật liệu chính	Hợp kim nhôm AL7075 + Cao su Silicone	Hợp kim nhôm AL7075
Dịch chuyển ngàm kẹp tối ưu	$1924{,}15\ \mu\text{m}$	$3260\ \mu\text{m}$
Tần số tự nhiên bậc một tối ưu	$170\text{ Hz}$	$61\text{ Hz}$
Kiểm chứng thực nghiệm	Phù hợp với mô hình FEA và giải tích	Phù hợp với mô hình FEA và giải tích

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong luận án:

• Hạn chế:
  • Đối tượng mẫu kẹp thực nghiệm tập trung chủ yếu vào mẫu hình trụ kích thước nhỏ giả định cho trục động cơ rung ($\phi 0{,}6\text{ mm} \times 10\text{ mm}$); chưa mở rộng thử nghiệm trên nhiều dải đường kính và hình dạng hình học phức tạp khác.
  • Nghiên cứu sử dụng nguồn dẫn động áp điện PEA và vật liệu AL7075 với giả định biến dạng đàn hồi tuyến tính cục bộ, ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường lên đặc tính của cao su silicone chưa được khảo sát sâu ở các dải nhiệt độ khắc nghiệt.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Phát triển hệ thống điều khiển vòng kín (closed-loop control) thời gian thực sử dụng tín hiệu phản hồi từ cảm biến strain gauge tích hợp trên ngàm kẹp.
  • Mở rộng thuật toán tối ưu hóa cho các cấu trúc tay kẹp đa ngón (multi-fingered compliant grippers) và tích hợp thêm khả năng cảm nhận lực kẹp trực tiếp (force sensing).
  • Ứng dụng thử nghiệm trực tiếp trên dây chuyền robot công nghiệp hoàn chỉnh (như UR3, UR5) trong môi trường sản xuất thực tế.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị kỹ thuật và học thuật cao trong các lĩnh vực:

1. Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử và Robot học:
   • Tham khảo Chương 2 và Chương 3 để nắm vững phương pháp mô hình hóa cơ cấu mềm bằng PRBM, phương trình Lagrange và lý thuyết bản lề uốn.
   • Học hỏi quy trình quy hoạch thực nghiệm Taguchi kết hợp tính toán trọng số S/N để giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu.
2. Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm (R&D) trong ngành chế tạo thiết bị chính xác:
   • Ứng dụng cấu trúc đòn bẩy khuếch đại dịch chuyển và giải pháp chèn cao su silicone nhằm nâng cao tần số dao động riêng của cơ cấu vi định vị.
   • Ứng dụng thiết kế cảm biến biến dạng tích hợp trên thân dầm để chế tạo các cơ cấu đo lường vi mô tự nhận biết vị trí với chi phí thấp.
3. Các nhà nghiên cứu về giải thuật tối ưu hóa ứng dụng:
   • Tham khảo quy trình xây dựng và triển khai các giải thuật tối ưu lai HTLBO và ANFIS-Jaya trên các mô hình kỹ thuật phi tuyến phức tạp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cơ cấu mềm được lựa chọn thay thế cơ cấu cứng truyền thống trong bài toán kẹp vi mô?

Cơ cấu mềm chuyển động hoàn toàn dựa trên sự biến dạng đàn hồi của các bản lề uốn nguyên khối. Kết cấu này loại bỏ hoàn toàn các khớp nối động học, ổ trục và chốt trượt truyền thống, giúp cơ cấu không bị ma sát, không có khe hở tiếp xúc và độ rơ (backlash), không cần bôi trơn, giảm khối lượng và loại bỏ sai số lắp ráp, từ đó đạt độ chính xác cao trong không gian làm việc vi mô.

2. Giải pháp tích hợp cảm biến đo dịch chuyển trên tay kẹp bất đối xứng được thực hiện như thế nào?

Tác giả gắn trực tiếp các cảm biến đo biến dạng (strain gauges) lên các dầm uốn linh hoạt của ngàm kẹp mềm và kết nối thành mạch cầu Half-Wheatstone. Khi ngàm kẹp chuyển động uốn, độ biến dạng đàn hồi của dầm được chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu điện áp ra tỷ lệ tuyến tính, cho phép tự đo lường trực tuyến hành trình của ngàm kẹp với độ phân giải micromet mà không cần lắp thêm cảm biến quang hay tiệm cận bên ngoài.

3. Việc chèn cao su silicone (Silicone Rubber) vào các khoang hở của cơ cấu mềm mang lại lợi ích gì?

Cao su silicone đóng vai trò như một lớp vật liệu đàn hồi phi kim giúp tăng độ cứng vững cục bộ cho kết cấu dầm mỏng và cung cấp khả năng giảm chấn động học. Kết quả nghiên cứu ở Chương 4 chỉ ra rằng việc điền đầy cao su silicone giúp nâng cao đáng kể tần số dao động riêng bậc một của cơ cấu (đạt $170\text{ Hz}$), cải thiện tốc độ đáp ứng động học và độ ổn định khi kẹp nhả linh kiện ở tần số cao.

4. Thuật toán HTLBO và ANFIS-Jaya được ứng dụng tối ưu hóa những chỉ tiêu kỹ thuật nào?

Các thuật toán được ứng dụng để giải quyết bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu với các hàm mục tiêu mâu thuẫn nhau:

• Tối đa hóa hành trình chuyển vị đầu ngàm kẹp ($1924{,}15\ \mu\text{m}$ ở tay kẹp bất đối xứng và $3260\ \mu\text{m}$ ở tay kẹp đối xứng).
• Tối đa hóa tần số dao động riêng bậc một ($170\text{ Hz}$ ở tay kẹp bất đối xứng và $61\text{ Hz}$ ở tay kẹp đối xứng).
• Tối thiểu hóa lực kẹp tác động/năng lượng dẫn động, đảm bảo ứng suất làm việc luôn nhỏ hơn giới hạn bền mỏi của vật liệu AL7075.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Hồ Nhật Linh đã nghiên cứu và phát triển thành công hai cấu trúc tay kẹp cơ cấu mềm (bất đối xứng tích hợp cảm biến đo biến dạng và đối xứng chuyên dụng cho phôi trụ) phục vụ thao tác lắp ráp trục động cơ rung thu nhỏ. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa mô hình giải tích PRBM, phương trình Lagrange, các kỹ thuật tối ưu hóa thông minh (HTLBO, ANFIS-Jaya) và thực nghiệm kiểm chứng, công trình đã đạt được các thông số kỹ thuật đáp ứng yêu cầu đặt ra về dịch chuyển vi mô và tần số dao động riêng. Các kết quả này đóng góp những giải pháp thiết thực cho lĩnh vực thiết kế cơ cấu mềm chính xác và tự động hóa lắp ráp linh kiện cơ điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITYUNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION PH. DISSERTATION HO NHAT LINH DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION OF GRIPPERS FOR CYLINDRICAL SAMPLE USING COMPLIANT MECHANISMS MAJOR: MECHANICAL ENGINEERING SKA 0 0 0 0 6 1 Ho Chi Minh City, November 2023 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HCM CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION HO NHAT LINH DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION OF GRIPPERS FOR CYLINDRICAL SAMPLE USING COMPLIANT MECHANISMS PH. DISSERTATION MAJOR: MECHANICAL ENGINEERING CODE: 9520103 Supervisor 1: Assoc. Le Hieu Giang Supervisor 2: Dr.

Dao Thanh Phong Reviewer 1: Assoc. Nguyen Quoc Hung Reviewer 2: Assoc. Pham Huy Hoang Reviewer 3: Assoc. Luong Hong Sam Ho Chi Minh City, November 2023 i SCIENTIFIC CURRICULUM VITAE I.

Full name: HO NHAT LINH 2. Birthday: 01/01/1982 Place of birth: Long An 3. Nationality: Vietnam Sex: Male 4. Academic degree: Master of Engineering - 2016 5.

Office Home 2nd Floor, No.63, Xuan Hong B69/4, My Hoa 2, Xuan street, 12 Ward, Tan Binh District, Thoi Dong Ward, Hoc 1 Address HCMC, Viet Nam Mon District, HCMC, Viet Nam 2 Phone/ (+84) 944.004 fax 3 Email honhatlinh01011982@gmail. Education background (latest): Level Time Institution Major/Specialty HCMC University of Mechanical BS. 2005 Technology and Education, Engineering Viet Nam Ho Chi Minh City Mechanical MS. 2016 University of Technology, Engineering Viet Nam II.

Work experience Time Organization Position From to ii CÔNG TY TNHH VIE-PAN – 06/2005 01/2007 Mechanical Engineer Việt nam CTY TNHH IKEBA SANGYO 01/2007 05/2009 Mechanical Engineer – Nhật Bản CTY TNHH SEKO SANGYO 06/2009 10/2012 Mechanical Engineer – Nhật Bản CTY TNHH NIDEC 12/2012 09/2013 Mechanical Engineer SEIMITSU VIET NAM 09/2013 Present CTY TNHH KOEI VIET NAM Sales engineer III. Dao Thanh Phong Office: Faculty of Mechanical Engineering, HCMC University of Technology and Education Email: dtphong@hcmute. Le Hieu Giang Office: HCMC University of Technology and Education Email: [e-mail] Commitment: I hereby guarantee that all the above declaration is the truth and only the truth. I will fully take responsibility if there is any deception.

Ho Chi Minh City, November 2023 Signature and Full name Ho Nhat Linh iii CONTENTS CONTENTS. iv ORIGINALITY STATEMENT. xi LIST OF ABBREVIATIONS. xii LIST OF SYMBOLS.

xiv LIST OF FIGGURES. xvii LIST OF TABLES. xxii Chapter 1 INTRODUCTION. Background and motivation.

Problem description of proposed compliant grippers. Objects of the dissertation. Objectives of the dissertation. The scientific and practical significance of the dissertation.

Outline of the dissertation .9 Chapter 2 LITERATURE REVIEW. Overview of compliant mechanism. Definition of compliant mechanism. Categories of compliant mechanism.

Compliance-driven classification. Deformation-based classification. Classification based on the association of the compliance and movement segments of the mechanism. Classified based on the function.

Compliant joints or flexure hinges. Displacement amplification based on the compliant mechanism. The Scott-Russell mechanism. Displacement sensors based on compliant mechanisms.

Compliant grippers based on embedded displacement sensors. International and domestic research. Research works in the field by foreign scientists. Study on compliant mechanisms by foreign scientists.

Study on robotic grippers and compliant grippers by foreign scientists. Research works in the field by domestic scientists. Research on compliant mechanisms by domestic scientists. Research on robotic grippers and compliant grippers by domestic scientists .43 Chapter 3 THEORETICAL FOUNDATIONS.

The basic theory of flexure hinges. Generic mathematical formulation. Strain gauge-based displacement sensor. Design of experiments.

Modeling methods and approaches for compliant mechanisms. Data-driven modeling methods. Weighting factors in multi-objective optimization problems .68 Chapter 4 DESIGN, ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF AN ASYMMETRICALLY STRUCTURED GRIPPER BASED ON A COMPLIANT MECHANISM WITH AN INTEGRATED DISPLACEMENT SENSOR. Research targets of displacement sensor for compliant gripper.

Structural design of proposed displacement sensor. Mechanical design and working principle of a proposed displacement sensor. Description of the structure of the displacement sensor. The working principle of a displacement sensor.

Technical requirements of a proposed displacement sensor. Behavior analysis of the displacement sensor. Strain versus stress. Design optimization of a proposed displacement sensor.

Description of optimization problem of a proposed displacement sensor. Definition of design variables. Definition of objective functions. Definition of constraints.

The proposed method for optimizing the displacement sensor. Optimal Results and Discussion. Determining Weight Factor .120 Chapter 5 COMPUTATIONAL MODELING AND OPTIMIZATION OF A SYMMETRICAL COMPLIANT GRIPPER FOR CYLINDRICAL SAMPLES. Basic application of symmetrical compliant gripper for cylindrical sample.

Research targets of symmetrical compliant gripper. Mechanical design of symmetrical compliant gripper. Description of structural design. Technical requirements of proposed symmetrical compliant gripper.

Behavior analysis of the proposed compliant gripper. Design optimization of the compliant gripper. Problem statement of optimization design. Determination of design variables.

Determination of objective functions. Determination of constraints. Proposed optimization method for the compliant gripper. Optimized results and validations .146 Chapter 6 CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS .151 LIST OF AUTHOR’S PUBLICATIONS .173 viii ORIGINALITY STATEMENT I, Ho Nhat Linh, confirm that this dissertation is the product of my efforts, carried out under the guidance of Assoc.

Le Hieu Giang and Dr. Dao Thanh Phong, to the best of my understanding. The information and findings presented in this dissertation are authentic and have not been previously published. ix ACKNOWLEDGMENTS First of all, I am grateful to my adviser, Assoc.

Le Hieu Giang and Dr. Dao Thanh Phong have supported me with his knowledge and dedication throughout my Ph. studies and provided me with the perspective required to conduct research in the field of Compliant mechanisms. I would want to thank my compliance team members, who will follow me throughout my research career.

Also, I would like to thank for the financial support from the HCMC University of Technology and Education, Vietnam, under Grant No. T2018-16TÐ, and Vietnam National Foundation for Science and Technology Development (NAFOST ED) under grant No. To conclude, I extend my heartfelt appreciation to my spouse and parents for their motivation, assistance, and endurance. Ho Nhat Linh x ABSTRACT Developing a gripper with accurate grasping and positioning tasks has been a daunting challenge in the assembly industry.

To meet these requirements, this thesis aims to develop two new types of compliant grippers. The first gripper with an asymmetrical structure is capable of integrating displacement sensors. The second gripper with a symmetrical structure is served for assembly. The hypothesized grasping objects are small-sized cylinders as the shaft of the vibration motor used in mobile phones or electronic devices ( 0.

In the first part, a displacement sensor for self-identifying the stroke of an asymmetric compliant gripper is analyzed and optimized. Strain gauges are placed in the flexible beams of the gripper and turn it into the displacement sensor with a resolution of micrometers. In addition, static and dynamic equations of the gripper are built via the pseudo-rigid-body model (PRBM) and Lagrange’s principle. To increase the stiffness and frequency, silicone rubber is filled the open cavities of the gripper.

Taguchi-coupled teaching learning-based optimization (HTLBO) method is formulated to solve the multi-response optimization for the gripper. Initial populations for the HTLBO are generated using the Taguchi method (TM). The weight factor (WF) for each fitness function is properly computed. The efficiency of the proposed method is superior to other optimizers.

The results determined that the displacement is 1924.15 µm and the frequency is 170. In the second part, a symmetric compliant gripper consisting of two symmetrical jaws is designed for the assembly industry. The kinematic and dynamic models are analyzed via PRBM and the Lagrange method. An intelligent computational technique, adaptive network-based fuzzy inference system-coupled Jaya algorithm, is proposed to improve the output responses of the gripper.

The WF of each cost function is computed. The results achieved a displacement of 3260 µm. Besides, the frequency was 61. Physical experiments are implemented to evaluate the effectiveness of both compliant grippers.

The experimental results are relatively agreed with the theoretical results. xi LIST OF ABBREVIATIONS Abbreviation Full name CAD Computer-aided design FEM Finite element method FEA Finite element analysis CG Compliant gripper CM Compliant mechanism PEA Piezoelectric actuator MDS Micro-displacement sensor SR Silicon rubber TM Taguchi method ANOVA Analysis of variance S/N Signal-to-Noise AVONSNR Average value of normalized S/N ratios RSM Response surface methodology PRBM Pseudo-rigid-body model TLBO Teaching learning-based optimization HTLBO Hybrid teaching learning-based optimization GA Genetic algorithm PSO Particle swarm optimization xii Abbreviation Full name AEDE Adaptive elitist differential evolution ANFIS Adaptive neuro-fuzzy inference system technique WF Weight factor DA Displacement amplification MOO Multi-objective optimization MOOP Multi-objective optimization problem NSGA-II Nondominated sorting genetic algorithm II WEDM Wire electrical discharged machining FH Flexure hinge xiii LIST OF SYMBOLS Abbreviation Full name S Safety factor y Yield strength of the material f Frequency E Young’s modulus ε Strain σ Stress y The quality response i The number of experiments q The number of replicates of experiment ‘i’ nd The population size X The vector of design variables xi Design variable UL,i Upper limit of the design variable UL,i Lower limit of the design variable pop The population r Random value TF The teaching factor xiv Abbreviation Full name m(.) Average value of the data set. S/N Signal-to-noise ratio zi Normalized mean S/N i S/N ratio m The number of responses R The resistance G Gauge factor Vo The output of the circuit Vex The excitation voltage of the circuit Fy Force in the y direction S Sensitivity N The number of failure cycles Sut The ultimate strength Se The endurance strength limit M The bending moments dφ/ds The differentiation of deflection W External work Fi Input force Fo Output force xv Abbreviation Full name kPEA The stiffness of PEA Fpreload Preload force of the piezoelectric actuator Ms The entire mass of the gripper Ks The stiffness of the gripper li Length of the ith flexure hinge ti Thickness of the ith flexure hinge W Width of the positioning platform L Length of the positioning platform H Hight of the positioning platform xvi LIST OF FIGGURES Figure 1.1: Several types of grippers in the industry : a) vacuum grippers [7], b) pneumatic grippers [7], c) hydraulic grippers [8], d) magnetic grippers [7], and e) electric grippers [9]. 2: A miniatured vibrating motor: a) mobile phone, b) vibrating mobile- phone motor, c) miniatured motor [14].

1: Clamp: a) traditional rigid-body clamp and b) compliant clamp [17]. 2: Classification of compliant mechanism based on compliance [19]. 3: Classified based on the static deformation of a structure [19]. 4: A compliant active mechanism with two flexible segments [20].

5: A passive compliant mechanism with four rigid links and a flexible link [20]. 6: Four types of typical CM : a) inverter, b) compliant platform, c) microgripper, and d) positioning stage [21]. 7: Three principal categories of FH arrangements: a) single-axis; b) multiple-axis; and c) two-axis [29]. 8: Complex type of FHs: (a) cross hinge, (b) cartwheel hinge, (c) leaf spring, (d) hyperbolic hinge [29].

9: Flexure hinges with notch shape [30]: a) circular hinge, b) filleted leaf hinge, c) elliptical hinge, d) V shape hinge, e) hyperbolic hinge, f) parabolic hinge. 10: Actuators: a) piezoelectric actuators [34]; b) electrostrictive actuators [35]; c) magnetostrictive actuators [34]; d) shape memory alloy (SMA) actuators [36]; and e) pneumatic actuators [37]. 12: Lever mechanism for in-compliant grippers: a) a hybrid amplifying structure [38]; b) single lever mechanism [41]; c) serial lever mechanisms [42]; d) different lever mechanisms [43]. 13: Schematic of Scott-Russell mechanism: a) the principle of operation; b) analysis of the amplification ratio.

14: Application of Scott-Russell mechanism in gripper design: a) micro- gripper with Scott-Russell mechanism [45]; b) a large-range micro-gripper with Scott-Russell mechanism [46]. 15: Schematic of bridge mechanism: a) displacement of bridge mechanism; b) amplification factor analysis of a bridge mechanism [47]. 16: Bridge mechanism for compliant grippers: a) half of the bridge mechanism [48], b) serial bridge mechanism [49], c) two stage-bridge mechanism [51], d) orthogonal bridge mechanism [52].